概覽：理解軟件定義PXI射頻儀器與傳統(tǒng)儀器相比在速度上的提升。WCDMA測量結(jié)果顯示與傳統(tǒng)儀器相比，固有并行化的LabVIEW測量算法在多核處理器上顯著提高了執(zhí)行速度。
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簡介
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?? 上午七點，在經(jīng)典的搖滾樂聲中，你起床了。收音機鬧鐘上的RDS接收機告訴你，正在聆聽的音樂是槍與玫瑰樂隊的《歡迎來到叢林》。隨后，在你喝早茶的時候，無線局域網(wǎng)收發(fā)器提醒您到書房查收電子郵件。當從前門出發(fā)準備去上班的時候，你使用315MHz的FSK發(fā)射器將汽車的門打開。在駕駛汽車的時候，你會感謝衛(wèi)星電臺提供的沒有廣告的娛樂節(jié)目。一會兒，耳朵上戴的藍牙收發(fā)器與3G手機通信。在幾分鐘內(nèi)，你的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)獲得了3D坐標的修正值，你已經(jīng)行駛在路上了。GPS接收器上發(fā)出的聲音告訴你使用收費公路，在那里，RFID讀卡器將對汽車收取合適的費用。
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??? 射頻技術(shù)無處不在。作為消費者，我們很容易理解它對我們的影響，而對于射頻測試工程師而言，它有著更為重大影響。無線設(shè)備的成本正在大幅度降低，使得我們可以更加容易地完成工作。然而，這卻為我們設(shè)計下一代射頻自動化測試系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)。比以往都更為緊迫的任務(wù)是降低測試的成本。所以，現(xiàn)今的自動化測試系統(tǒng)最為關(guān)注的問題就是如何減少總的測試時間。
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全新6.6 GHz射頻測試平臺介紹
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???? 為了滿足這種需求，NI公司開發(fā)出了6.6GHz的高速射頻測量平臺。這些產(chǎn)品，即NI PXIe-5663矢量信號分析儀(VSA)和NI PXIe-5673矢量信號發(fā)生器(VSG)，為自動化射頻測量提供了高速而靈活的解決方案。NI PXIe-5663可以進行從10MHz到6.6GHz、高達50MHz實時帶寬的信號分析。NI PXIe-5673則提供了從85MHz到6.6GHz的信號生成，而且具有100MHz的實時帶寬。(見圖1)
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圖1. 裝載全新6.6 GHz射頻測試平臺的PXI系統(tǒng)
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??? 新型的6.6GHz射頻測試平臺是自動化測試應(yīng)用的理想選擇。借助于高度并行化的NI LabVIEW測量算法，PXI模塊化儀器可以提供比傳統(tǒng)儀器高得多的速度。為了理解為什么PXI模塊化儀器可以獲得比傳統(tǒng)儀器更快的測量速度，讓我們先來考慮一下PXI模塊化儀器和傳統(tǒng)儀器在系統(tǒng)構(gòu)架上的不同之處。兩種系統(tǒng)使用了許多相似的部件，其中最主要的不同是PXI系統(tǒng)可以使用高性能的多核心中央處理器(即CPU)。為了解釋這個概念，請看圖2中兩種類型儀器的方框圖。
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圖2.用戶自定義的CPU是PXI射頻儀器的核心部件
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??? 雖然PXI儀器與傳統(tǒng)儀器有著許多相似之處，但是PXI模塊化儀器上的用戶自定義式多核CPU使得測量可以更快的進行。在許多應(yīng)用案例中，射頻測量算法是用原生化的并行LabVIEW編程語言編寫的。所以，總的測量速度可以通過將處理器升級到更多的處理核心而得到提高。隨著CPU的時鐘頻率(或者核心的數(shù)量)按照摩爾定律不斷地提高，現(xiàn)在的PXI射頻測試人員可以獲得更可觀的測量速度。就像在這篇文章的基準數(shù)據(jù)中看到的那樣，許多PXI矢量信號分析儀可以運行多核式射頻測量算法，其速度是傳統(tǒng)的頂級矢量信號分析儀的30倍！
??? 為了理解PXI儀器的好處，讓我們來考慮一下高速無線設(shè)備測試這種類型的應(yīng)用。在這些應(yīng)用中，測試時間通常在產(chǎn)品的COGS(售出商品的成本)中占有相當大的比例。而且，對于無線通信協(xié)議，如3G UMTS(WCDMA)標準，多處理器測量算法需要強大的處理能力。在這些應(yīng)用中，NI公司的合作伙伴AmFax公司，提供了高度并行化的測量算法用于WCDMA物理層的測量。在這個應(yīng)用案例中，NI公司的射頻儀器和合作伙伴的軟件結(jié)合在一起，提供了低成本、高速度高精度的測試平臺。
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使用LabVIEW軟件來實現(xiàn)更快捷的WCDMA 測量
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??? 為了理解NI PXIe-5663射頻矢量信號分析儀的測量速度和精度，讓我們來“面對面”地將它們與頂級的傳統(tǒng)儀器(表1)做以比較。兩種做比照用的儀器都是相對較為新型的射頻矢量信號分析儀，而且它們均比全功能的NI PXIe-5663射頻測量系統(tǒng)貴很多。
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表1.PXI儀器與傳統(tǒng)儀器的比較
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??? 為了提供最為真實的基準數(shù)據(jù)，PXI儀器和傳統(tǒng)儀器需要在一系列標準明確的測量下進行定時比較。對于WCDMA應(yīng)用而言，我們需要考慮儀器在范圍廣泛測量中的性能。物理層的測量，如互補式累積分布函數(shù)(CCDF)要求長時間的采集，而且受處理器速度的影響較小。但是，需要解調(diào)的測量，如誤差矢量幅度(EVM)等，需要大量的信號處理。最后，頻域的測量， 如臨近信道泄漏功率比(ACLR)和占用的帶寬(OBW)等也需要測試，因為它們都需要進行離散傅立葉變換(DFT)計算。
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??? 使用通常的測試執(zhí)行軟件，如NI TestStand軟件，用戶可以快捷地配置自動化測量序列。NI TestStand軟件不僅提供了內(nèi)建的框架用于順序化地進行測量，而且可以配置用來報告每次測試的測量時間。在圖1中顯示了NI TestStand報告自動化測試序列的測量時間的截圖。
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圖3.NI TestStand軟件在產(chǎn)品測試環(huán)境中進行自動化測量
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??? 在圖3中，請觀察EVM測量步驟附近的嵌套式for循環(huán)("Configure NI EVM"和"Measure NI Composite EVM")。外層的for循環(huán)決定了指定測量的均值次數(shù)，內(nèi)層的for循環(huán)使用相同的測量設(shè)定來順序化地執(zhí)行多個對象。通過對多個測量使用相同的配置設(shè)定，用戶可以對測量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，來確定結(jié)果的平均值和標準差。
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配置射頻儀器
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??? 在執(zhí)行儀器基準時，如何配置每個儀器實現(xiàn)最快測量性能非常關(guān)鍵。對于傳統(tǒng)儀器，可采用儀器板載的均值函數(shù)來代替手工求均值以實現(xiàn)最佳性能。此外，在測量進行時不能顯示前面板。最后，選擇最有效的儀器控制總線也很重要。因為這類測試的數(shù)據(jù)量較小，儀器控制總線需要對延遲進行優(yōu)化。所以選擇GPIB總線代替LAN可實現(xiàn)最佳延遲。一般來說，在很少需要或不需要求均值的應(yīng)用中延遲對測量影響更大。
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??? 在確定射頻矢量信號分析儀的測量速度基準中，射頻矢量信號發(fā)生器需要設(shè)置為環(huán)回處理模式。為評估PXIe-5663 VSA，全新PXIe-5667 6.6 GHz射頻矢量信號發(fā)生器配置為測試激勵源。為了與WCDMA兼容，激勵中心頻率需設(shè)置在1.95 GHz。配置射頻輸出功率為-10 dBm，并將發(fā)生器與矢量信號分析儀直接連接。圖4所示為硬件配置方式。
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圖4.將矢量信號分析儀直接連到矢量信號發(fā)生器上
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??? 在需要使用真實待測設(shè)備(DUT)來確定諸如測量重復(fù)性等特性時，環(huán)回處理模式的優(yōu)勢在于可顯示儀器的測量性能。
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測量時間基準結(jié)果
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??? 通過上述設(shè)置，觀察以下每個測量時間（單位為秒）。注意表2中平均次數(shù)的選取根據(jù)設(shè)計驗證應(yīng)用中的經(jīng)驗值決定。本文接下來的部分將說明平均次數(shù)與測量可重復(fù)性之間的詳細關(guān)系。
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??? 正如表2中顯示的那樣，NI PXIe-5663射頻矢量信號分析儀無論使用嵌入式控制器還是機架式控制器，都可以提供比傳統(tǒng)儀器更為優(yōu)越的測量速度。另外，請注意觀察處理器對總測量時間的影響。NI PXIe-8130嵌入式控制器使用了型號為AMD TuronX2 2.3GHz的CPU，而NI PXIe-8106嵌入式控制器則使用了2.16GHz的Intel Core 2 Duo式CPU。作為四核心處理器，NI 8353 1U機架式控制器，使用了兩個2.4GHz的Core 2 Duo式CPU。因為CPU的性能直接決定了測量的速度，所以四核控制器可以提供比最快的雙核控制器還要快的測量時間。請看圖4中的圖表，來確定相比于傳統(tǒng)儀器所降低的總測量時間的百分比。
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圖5. NI 8353 1U控制器的測量速度比傳統(tǒng)儀器快10倍
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??? 對大多數(shù)WCDMA PHY層測量，處理時間對總體測量時間影響最大。這類測量中總時間通常與采用的平均次數(shù)成比例。唯一的例外是CCDF測量，由于它需要特別長的采集量，因此處理器對總體測量時間的影響較小。觀察圖6中對CCDF測量結(jié)果，PXI測量系統(tǒng)比采用傳統(tǒng)儀器稍快。
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圖6. 平均次數(shù)對CCDF測量時間影響很小
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??? 為確定采用PXI儀器后的性能提升，需要進行一系列測試。以下顯示的數(shù)據(jù)為每個配置測量10次后的均值。圖6中，采用PXI儀器系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器后，CCDF測量時間縮短了33%。同時可以看到NI 8353四核機架固定式控制器顯著改善了測量時間。
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??? 對于處理器密集型的PHY層測量，處理器的選擇極大影響了總體測量時間。圖7到圖9表明了采用傳統(tǒng)儀器或PXI儀器時測量時間與平均次數(shù)的關(guān)系。
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圖7. PXI儀器在處理器密集型測量中速度改善最大
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??? 對于如EVM的處理器密集型測量，處理器的選擇極大影響了測量時間。例如，NI PXIe-8130嵌入式雙核處理器進行EVM測量時，并采用5次平均需要342毫秒。而采用NI 8353四核控制器可縮短33%的時間，即只需228毫秒。在鄰近信道泄漏功率比(ACLR)測量中也有類似結(jié)果，見圖8。
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圖8. ACLR測量時間對比平均數(shù)
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??? 使用PXI射頻測量系統(tǒng)后，ACLR測量時間可提速16倍。單一ACLR測量（不包括配置時間）一般小于8 ms，即使與時域ACLR測量相比也快許多。
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??? 最終占用帶寬的測量結(jié)果見圖9。
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??? 由圖9可見對于某些測試，PXI射頻儀器相比傳統(tǒng)儀器同樣可提速30倍。此外，絕對測量時間的改善在需要大量求平均的場合下更顯著。
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測量平均對比可重復(fù)性
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??? 求平均會大大增加總體測試時間，但實現(xiàn)更多可重復(fù)測試卻需要進行測量平均。測量平均事實上增加了測量時間，所以理解可重復(fù)性與平均數(shù)之間的關(guān)系將非常重要。由于噪聲在求平均的過程中減小，我們發(fā)現(xiàn)連續(xù)兩次測試的可重復(fù)性隨平均數(shù)的增加而改善。圖10中將每次測量中的EVM標準偏差與設(shè)置的平均次數(shù)進行了比較。
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??? 圖10的結(jié)果中，所有EVM測量都在一幀WCDMA內(nèi)完成，相當于2600 chip。觀察測量可重復(fù)性與平均數(shù)之間的關(guān)系。圖10中僅采用100次試驗來計算數(shù)據(jù)集，而許多產(chǎn)品測試應(yīng)用需要更大的數(shù)據(jù)測試量。事實上，許多測試在多臺儀器上進行，這就需要更精確的測量可重復(fù)性模型。
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??? 將PXIe-5663射頻矢量信號分析儀與PXIe-5673矢量信號發(fā)生器配置為環(huán)回處理模式，就可以輕松實現(xiàn)比EVM測量更好的結(jié)果。表3種顯示了不同配置下的均值和標準偏差。
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???? PXIe-5663射頻矢量信號分析儀與PXIe-5673矢量信號發(fā)生器可在WCDMA標準下實現(xiàn)精確可重復(fù)的EVM測量。
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結(jié)論
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??? 隨著無線技術(shù)應(yīng)用的深入，縮短測量時間的壓力將越來越大。而PXI測試系統(tǒng)可成功駕馭計算領(lǐng)域的前沿技術(shù)。事實上，就如本文中顯示的數(shù)據(jù)，在多核PXI處理器上執(zhí)行并性測量算法的速度相比在傳統(tǒng)儀器上執(zhí)行類似算法的速度有顯著提升。因而，NI全新的PXI 6.6 GHz射頻測量平臺，可滿足對低成本射頻測試的需求。更多關(guān)于PXI 6.6 GHz射頻測量平臺信息，請訪問ni.com/rf/platform。